一种改进的窄带GPS接收机的抗多径干扰技术

　　GPS能够提供全球范围的可靠准确的三维定位、测速以及时间信息,在当今取得了越来越广泛的应用。GPS定位是一个测距系统,其准确的定位能力依靠精确的伪距测量。在GPS所有的定位误差中,多径干扰所造成的误差是影响最大的。在国际上已经有很多的文献对此进行了深入的研究。

　　文献[1]和[2]中提出了窄相关技术,缩小DLL(延迟锁定环)的码相关器间距来获得较高的定位精度及良好的抗多径性能。文献[3]提出了微脉冲相关(PAC)技术,通过差分的方式来提高抗多径性能,文献[4]中的MET技术也有类似的性能。文献[5]中提出了多径估计技术(MEDLL),该技术性能优越,但需要付出极大的计算代价。文献[6]中提出了多天线抗多径技术,该技术性能也很理想,但需要付出较大的硬件的成本开销,在GPS民用市场对成本是非常敏感的。另外,还有一些其他的技术文献[7]、[8]和[9]。在所有的这些技术中,性能好的比较复杂,成本太高,比如MEDLL和多天线技术。

　　而以窄相关技术与PAC技术为典型的其他技术,在宽带接收机中是有效的,但对窄带接收机,则并无性能上的明显改进。但是,窄带接收机具备良好的抗干扰能力,是宽带接收机所不具备的。文献[10,11]中提出了TrEC(Tracking Error Compensator)技术,这个技术可以消除[0~2chip]内的所有多径延迟造成的误差,性能优异,而且,对窄带接收机同样有效。TrEC技术的不足之处是该技术需要较长的初始化时间,约5 min[11]左右。5 min的收敛时间,在GPS接收机使用的时候,并不太实用,因为GPS接收机的应用环境是非常复杂的,变化较快,尤以车载和手持式GPS接收机为甚。本文提出了一种改进的TrEC技术,可以把初始化时间缩小为1 min左右,使该技术适用于工程应用。

　　1　Tracking Error Compensator技术概述

　　通常的码跟踪环路是用DLL来实现的,其跟踪的原理是通过对称的自相关函数来找到码相关峰。由于在多径的影响下,自相关函数失去了对称性,这就导致DLL难以准确的跟踪到码相关峰,会带来跟踪误差,使定位出现误差。微脉冲相关技术和窄相关技术通过减少超前-滞后的码间距来提高抗多径性能,但它比较依赖于接收机的相关函数的三角形状,因此,在宽带的GPS接收机中,性能良好。但是,在窄带的接收机中,由于相关函数失去了三角形状,其抗多径能力较之传统的DLL技术并无较大的改善。在文献[10]和[11]中提出了一种全新的抗多径技术,适用于窄带接收机,并且,工程实现简单,不需要额外增加复杂的硬件成本,对民用市场来说,是一种较为有效的技术,下面做一个简单的介绍。

　　在码自相关函数中,有一部分区域是平坦的,这个区域叫做多径不变区域。如果多径信号的延迟小于这个区域的长度,那么这个区域的形状不会受到多径干扰的影响。图1是PRN2卫星的自相关函数,x轴上负的值代表本地码超前于卫星信号。在图1中,可以看到,在[-14~-9chip]相关延迟的自相关值是-1/1023,是一个常数。图2是加了多径信号之后的自相关函数,该多径信号为1/3码片延迟,与直射信号同相,直射信号强度和多径信号强度的幅度比值SMR(signal and multipath rate)为0.5。从这个图可以看出,自相关函数发生了变化,但是,在-9码片的那个点,仍然是保持着平坦的形状,也即,-9码片的这个点,没有受到多径的干扰,其离相关峰的距离是不变的,这个点也称之为多径不变点MPI(multipath invariance)。只要在跟踪状态的时候,能够找到-9码片的点,那么,就可以根据这个点的位置来修正相关峰的位置,可以用来补偿掉由于多径引起的码跟踪误差,这个也就是TrEC技术。